Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования
1.1 .Особенности конструкции блока чувствительных элементов и технологии их создания 7
1.2. Современное состояние теории диффузионной сварки 11
1.3.Диффузионная сварка кремния с металлами 22
1 АПатентный поиск по теме 26
1.5.Цель и задачи работы 27
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований
2.1 .Характеристика исходных материалов 30
2.2. Оборудование диффузионной сварки и приспособления 33
2.3. Технология подготовки материалов под сварку .35
2.4.Методика измерения площади физического контакта. 37
2.5.Методика оценки развития объемного взаимодействия 41
2.6,Оптическая и электронная микроскопия 44
2.7.Методика определения механической прочности на срез 45
Выводы по главе 2 47
ГЛАВА 3. Исследование закономерностей формирования сварного соединения монокристалла кремния с алюминиевой фольгой диффузионной сваркой
3.1.Исследование кинетических закономерностей формирования физического контакта 48
3.2. Исследование кинетических закономерностей развития объемного взаимодействия
3.3.Характер взаимодействия монокристалла кремния с алюминиевой фольгой .75
Выводы по главе 3 83
ГЛАВА 4. Разработка технологических процессов соединения монокристалла кремния с алюминиевой фольгой при создании блоков чувствительных элементов датчиков акселерометров прецизионных приборов
4.1 .Определение оптимальных параметров процесса сварки 84
4.2. Диффузионная сварка блока чувствительных элементов АЦ 89
Выводы по главе 4 94
Общие выводы 95
Литература
- Современное состояние теории диффузионной сварки
- Технология подготовки материалов под сварку
- Исследование кинетических закономерностей развития объемного взаимодействия
- Диффузионная сварка блока чувствительных элементов АЦ
Современное состояние теории диффузионной сварки
По научному определению Ю.Л. Красулина и М.Х. Шоршорова диффузионная сварка - это процесс получения неразъемного соединения в твердом состоянии однородных и разнородных металлических и неметаллических материалов в вакууме или защитной среде под действием температуры и давления в статическом и динамическом режимах их воздействия [29].
Диффузионная сварка кремния с металлами изучена крайне слабо, а литературных данных по этому вопросу весьма мало. В работах Н.Ф. Казакова с соавторами [63, 64] рассмотрены вопросы сварки золоченого кремния диаметром 2 мм с никелированным молибденом. Оптимальный режима сварки, определенный на основе механических испытаний на отрыв, срез и металлографического анализа, составил Т = 370С, Р = 30 МПа, t = 60 мин. Однако, при этом установлено, что на границе раздела образуется эвтектика, то есть соединение формируется при наличии жидкой фазы и не может быть отнесено, строго говоря, к способу диффузионной сварки.
В последующих своих работах [65, 69] эти же авторы, рассматривая вопросы сварки чистого кремния диаметром до 10 мм с чистым молибденом, установили нижнюю область не свариваемости на уровне Т=850С, а в качестве оптимального предлагается режим Т=1000С, Р=70МПа, t = 15 мин. Для интенсификации диффузионных процессов, как утверждают авторы, на поверхности свариваемых деталей гальваническим способом осаждались либо никель, либо серебро, толщиной до 6 +- 8 мкм, при этом оптимальный режим сварки будет составлять Т = 600 + 700С, Р= 20 +- 30 МПа, t = 15-20 мин. Для всех оптимальных режимов сварки уровень разряжения составлял не менее 133 МПа. Отмеченные оптимальные режимы были определены на основании механических испытаний на отрыв, термоциклирования и металлографического анализа микроструктуры зоны соединения. Однако, при этом, не приводится каких-либо результатов механических испытаний и испытаний на термоциклирование, а соединение считается качественным, если при испытаниях на отрыв разрушение происходит по стержню, к которому припаивалось данное соединение, при испытаниях на термоциклирование - если соединение выдержало без разрушения «тройной цикл при температурах +300 и -196С и десятикратный цикл при температурах +200 и -70 С» [64]. Следовательно, результаты указанных испытаний носят качественный характер. Металлографический анализ микроструктуры зоны сварного соединения не позволяет, как известно [70], с уверенностью оценивать качество сварки разнородных материалов, так как при расстоянии между свариваемыми поверхностями порядка 500 А, когда прочность связи практически равна нулю, увидеть такую несплошность в оптический микроскоп невозможно. В этой связи, рекомендуемые режимы сварки следует рассматривать весьма условно.
Рассматривая вопрос диффузионной сварки полированной кремниевой структуры диаметром 25 мм, толщиной 0,2 мм с медным диском того же диаметра и толщиной 0,2 -1,5 мм, в работе [71] предлагает металлизировать монокристалл вакуумным напылением Сг - 0,1 мкм и Ni - 0,1 мкм, с последующим гальваническим осаждением золота толщиной 2,0 мкм. В качестве оптимального предлагается следующий режим: Т = 240С, Р = 200 МПа, t = 30 мин. Очевидно, при определении указанного режима, автор руководствовался стремлением получить наименьшие остаточные напряжения за счет снижения температуры сварки, однако, последнее потребовало применять значительное давление, что приводило, в значительном числе случаев, к образованию в монокристалле трещин.
Оценка влияния [71] технологического цикла сварки на свойства р-п-перехода была произведена по ВАХ. Оптимальному режиму сварки сопутствовала наиболее жесткая ВАХ, гарантирующая сохранение исходных электрофизических свойств р-п-перехода. В заключение необходимо отметить, что данное соединение использовалось для создания сверхвысокочастотных лавинно-пролетных диодов с мезаструктурои на монокристалле кремния.
В.Ф. Романовский с соавторами в ранних работах [72,73], исследуя диффузионное соединение химически полированных дисков кремния диаметром 25 мм и толщиной 0,4 мм с ВТ диаметром 25 мм и толщиной 1,1. мм, на основании результатов механических испытаний на срез сварного соединения оптимальным установили режим Т = 1100С, Р= 17 МПа, t = 30 мин. В работах рассматриваются чисто сварочные аспекты: процесс образования и рост интерметаллидов, механическая прочность соединения. На основе данных работ делается чисто качественный вывод о возможности получения соединения.
В своих дальнейших работах [74,77] эти же авторы предлагают вести процесс сварки в водороде, используя в качестве промежуточной прокладки алюминиевую фольгу особой чистоты марки А999 толщиной 0,04-Ю, 10 мм с плоской поверхностью после прокатки и с заранее сформированным на её поверхности рельефом, в виде регулярно расположенных выступов цилиндрической формы, высотой от 0,3 до 1 мм и диаметром основании 1 мм. Для сварки использовались пластины монокристалла кремния диаметром 25 мм и толщиной 0,4 +0,6 мм, поверхность которых или шлифовалась порошком Ml4, или химически полировалась и ВТ «никелированные по общепринятой технологии». В случае сварки полированной пластины кремния с плоской фольгой алюминия [74] оптимальным признан режим Т = 500С, Р = 23 МПа, t = 60 мин. При этом, как утверждают авторы, площадь объемного взаимодействия занимает практически всю поверхность кремниевой пластины. В случае использования рельефной фольги сварку рекомендуется вести в среде водорода при Т=500С, Р=10МПа, t = 30 мин.
Создание рельефа на алюминиевой прокладке, призванное облегчить формирование физического контакта и активацию контактных поверхностей за счет интенсификации пластической деформации, как показали металлографические исследования, неизбежно приводит к существенному снижению суммарной площади физического контакта. Осуществление же сварки в среде водорода, как свидетельствуют данные работы [78], уменьшает площадь физического контакта по сравнению с физическим контактом в вакууме на 10-К5 % и, тем самым, снижает качество сварного соединения. Аналогичный вывод о неблагоприятной роли водорода, как защитной среды при сварке монокристалла кремния с алюминием, можно сделать анализируя работы [3, 5, 18], согласно которым значение удельного сопротивления резко ухудшается при степени разряжения менее 6,65 мПа, а применение самого чистого водорода соответствует по примесям степени разряжения 1330 мПа.
Технология подготовки материалов под сварку
Точечную доверительную оценку точности измерения площади объемного взаимодействия (дисперсию воспроизводимости опыта) производили по результатам измерений площади объемного взаимодействия на восьми пластинах монокристалла кремния, сваренных с алюминиевой фольгой толщиной 0,25 мм на режиме Т = 500С, Р= 15 МПа, t = 5 мин. Измеренные значения площади объемного взаимодействия составили, в %: 41,3; 40,9; 41,5; 42,9; 43,0; 43,4; 42,3; 43,0. Доверительная оценка истинного значения площади объемного взаимодействия, вычисленная с надежностью 0,95 по критерию t - Стьюдента (при числе степенной свободы h = 7, t = 2,365) [82], показала, что это значение заключено в интервале (41,50 + 43,08). Такая надежная оценка площади объемного взаимодействия дает основание при исследованиях кинетики развития площади объемного взаимодействия выбрать минимальное число параллельных опытов - по два опыта на каждую точку.
При исследовании кинетики объемного взаимодействия в качестве регистрируемого параметра была принята также глубина фигур поверхностного декорирования, которая характеризует ту глубину, с которой произошло растворение монокристалла кремния, в результате гетеродиффузии кремния в алюминий и которую в дальнейшем будем называть глубиной объемного взаимодействия. Изменение рельефа поверхности монокристалла кремния регистрировали с помощью профилографа модели М201, с радиусом ощупывающей алмазной иглы при вершине 0,002+0 002 мм. В качестве характеристики глубины объемного взаимодействия была принята средняя глубина пяти самых глубоких фигур поверхностного декорирования в пределах базовой длины 0,8 мм, рассчитанная по формуле: R=l/5-(5hmax-Z hmin) (2.2)
Оценка макроскопической картины развития объемного взаимодействия в зоне сварки производилась путем фотографирования исследуемой поверхности кремниевой пластины фотоаппаратом «Kodak» с насадочными кольцами, с последующим определением площадей непровара. Точность способа, установленная параллельным тщательным подсчетом на миллиметровой кальке площади непроваров, составляет ±5 %.
Металлографические исследования переходного слоя в сварном соединении «монокристалл кремния - алюминиевая фольга" проводили на не травленных и травленных косых микрошлифах с помощью металлографических микроскопов МИМ-7 и «Neophot-2» производства Германия.
Механическая подготовка косого шлифа осуществляется шлифовкой на стекле с использованием в качестве абразива водной суспензии микропорошка КЗМ14, до четкого проявления в плоскости шлифа всех составляющих. В дальнейшем, если есть необходимость получения полированного шлифа, производят полировку алмазными пастами на ватмане в установленном порядке, начиная с пасты АСМ 10/14 вплоть до АСМ 1/0.Угол скоса шлифа выбран из условия удобства работы и составляет 2.
После механической подготовки, в ряде случаев, производили химическое травление шлифа способом погружения в реактив состава ЗММОз : 1HF : 10 СН3СООН.
Для выявления глубины трещиноватого слоя в кремниевой шлифованной пластине использовали металлографический способ измерения глубины трещин на сферическом шлифе [3]. Приготовление такого шлифа производилось на установке для приготовления сферических шлифов «Шлиф-1» с радиусом сферического шлифовальщика 15,08 мм. Травление сферического шлифа осуществлялось приведенным выше реактивом под микроскопом МБС-10 до момента прекращения бурной реакции. При этом трещиноватая область на кремнии приобретает матовый оттенок. Расчет толщины трещиноватого слоя производился по формуле: f= H2/8R xlO-3 , (2.3) где f - толщина трещиноватого слоя, мкм; Н - длина хорды, мм; R - радиус сферического шлифовальника, мм. Исследование переходного слоя вели также методом просвечивающей электронной микроскопии. Изготовление платино-углеродных реплик с поверхности пластины монокристалла кремния после стравливания алюминиевой фольги вели по стандартной методике, описанной в работе [109]. Приготовление образцов из монокристалла для исследований на просвет происходило следующим образом. Из кремниевой пластины вырезались квадратики 3x3 мм, которые приклеивались исследуемой стороной к фторопластовой шайбе и утонялись с обратной стороны в смеси 1HF: IHNO3: 1СН3СООН до образования сквозного отверстия. После тщательной отмывки образцы, а также реплики исследовались на просвет на электронном микроскопе УЭМВ-ЮОК при ускоряющем напряжении 100 кВ.
Исследование кинетических закономерностей развития объемного взаимодействия
Таким образом, по мере приложения нагрузки в контакт будут вступать все новые микронеровности, пластически деформируясь, упрочняясь и оседая в тело фольги, они будут вызывать образование все новых зон пластического течения в теле фольги.
При достижении определенной площади контакта, соответствующей по данным работы [61] деформации микронеровностей на половину исходной высоты, существенное влияние на общую кинетику пластической деформации начинает оказывать взаимное влияние продеформированных микронеровностей. Это приводит к значительному затруднению пластической деформации в таких областях.
В определенный момент времени возникает такая ситуация, что в контакте присутствуют лишь продеформированные микровыступы, между которыми все еще остаются микровпадины. При этом, для полного смыкания микровпадин, как показано в работах [114, 115], необходимо давление в 6+7 раз превышающее предел текучести упрочненного металла микровыступа и значительная степень деформации. С этого момента формирование площади физического контакта за счет снятия микронеровностей практически невозможно. Несущая способность микронеровностей и объемная прочность металла фольги, из-за стесненных условий пластической деформации, становятся больше приложенного сжимающего усилия. Дальнейший рост площади контакта происходит в результате развития деформационных рельефов, которые образуются в результате релаксации напряжений в теле фольги за счет перемещений микрообъемов внутри зерна. Таким образом, происходит смыкание микровпадин и залечивание микропор в плоскости контакта. Интен 57 сивное развитие деформационных рельефов возможно также на стадии охлаждения после диффузионной сварки, когда из-за разницы КЛТР кремниевой пластины и алюминиевой фольги, в сварном соединении будут развиваться существенные временные остаточные напряжения, релаксация которых и будет инициировать образование рельефов. Определенную роль на стадии охлаждения может играть и анизотропия свойств зерен алюминия.
С учетом изложенного можно сделать вывод, что условия формирования физического контакта при диффузионной сварке монокристалла кремния с алюминиевой фольгой, а значит и сварного соединения в целом, одинаковы по всей контактной поверхности пластины. Это хорошо подтверждается характером и распределением плотности фигур поверхностного декорирования на полированной пластине диаметром 40 мм, которые могут служить косвенным качественным показателем условий формирования физического контакта. Экспериментально установлено, что после стравливания в соляной кислоте приваренной фольги А99 фигуры поверхностного декорирования имеют одинаковую форму и с равномерной плотностью распределены по всей контактной поверхности монокристалла. Аналогичное заключение можно сделать, анализируя характер фигур поверхностного декорирования на кремниевых пластинах диаметром 40 мм и 5 мм. Одинаковый характер и плотность фигур поверхностного декорирования на поверхности обеих пластин после сварки дает основание считать условия формирования физического контакта, а также сварного соединения в целом, идентичными.
Стадию объемного взаимодействия можно рассмотреть как стадию релаксации того неравновесного напряженного состояния, которое образуется в результате "сшивания" валентных связей поверхностных атомов. Протекание процессов гетеродиффузии позволяет расширить коллективность химического взаимодействия вглубь контакта, что обеспечивает образование промежуточного слоя с постепенным переходом от кристаллической решетки одного из соединяемых материалов к решетке другого.
Исследование закономерностей развития объемного взаимодействия в плоскости контакта и по его глубине производилось с использованием полированных пластин монокристалла кремния и алюминиевой фольги марки А99 толщиной 0,1мм. При этом варьировались параметры температуры и времени диффузионной сварки, а усилие сжатия Р = 15 МПа = const.
Зависимости площади S0B и глубины объемного взаимодействия Нов от температуры сварки, представленные на рис. 3.5 (кривые 2 и 3) показывают, что увеличение температуры сварки в диапазоне от 400С до 500С приводит к возрастанию площади объемного взаимодействия от 3 до 85 %, а глубины объемного взаимодействият - от нуля до 0,3 мкм.
Сопоставление роста площадей физического контакта и объемного взаимодействия показывает, что хотя при Т = 400С физический контакт образуется примерно на половине номинальной площади контакта, процессы объемного взаимодействия еще не развиваются. Это служит экспериментальным доказательством того, что только механического канала активации явно недостаточно для развития процессов объемного взаимодействия при низком уровне термической активации, то есть именно термической активации принадлежит ведущая роль при образовании прочного сварного соединения монокристалла кремния с алюминиевой фольгой. При увеличении температуры сварки до Т = 450С процессы объемного взаимодействия начинают развиваться с видимой скоростью.
Зависимость Н0В(Т) роста глубины объемного взаимодействия от температуры, а также изменение микротопографического рельефа поверхности монокристалла после стравливания приваренной фольги А99, показанное на рис. 3.6, свидетельствует о развитии процессов объемного взаимодействия вглубь монокристалла кремния.
Рост площади объемного взаимодействия можно рассматривать как конкурирующие процессы зарождения новых фигур поверхностного декорирования и роста уже имеющихся. При темературах сварки Т = 450С, как это видно из рис. 3.6 и 3.7а, преимущественный рост площади объемного взаимодействия происходит за счет образования новых фигур поверхностного декорирования. По-видимому, уровень термической активации недостаточен, чтобы обеспечить интенсивный рост имеющихся фигур поверхностного декорирования. В то же время, в местах пластической деформации микронеровностей выделяется дополнительная энергия, что приводит к образованию многочисленных мелких фигур, из которых и складывается площадь объемного взаимодействия. Отчетливо просматривается его строчечный характер, являющийся следствием деформации полосчатого рельефа фольги А99, сложившегося при прокатке.
При увеличении температуры сварки до 500С очевидно возрастает скорость поверхностной диффузии, ответственной за поставку атомов кремния в зародыше фигур поверхностного декорирования, другими словами, возрастает скорость роста фигур в плане. Это приводит к тому, что основной прирост площади объёмного взаимодействия происходит в результате роста в плане фигур поверхностного декорирования на поверхности монокристалла рис. 3.76 и в меньшей степени за счет образования новых фигур. При этом еще просматривается строчечный характер объемного взаимодействия.
При температуре сварки 550С (рис. 3.7в), дискретно расположенные фигуры сливаются, образуя обширные области объемного взаимодействия на поверхности монокристалла. При этой температуре площадь объемного взаимодействия занимает 85 % номинальной площади контакта, что, согласно данным работы [62], достаточно для формирования качественного сварного соединения.
Диффузионная сварка блока чувствительных элементов АЦ
Процесс объемного взаимодействия кремния с алюминием представляет гетерогенную химическую химическую реакцию растворения Si в А1, которая протекает в условиях непрерывной диффузии реагирующих веществ к границе раздела и обратной диффузии продуктов реакции. Образующиеся при этом на поверхности кремния ямки травления - фигуры поверхностного декорирования - позволяют судить о коллективности объемного взаимодействия в плоскости сварки и о глубине, с которой произошло растворение кремния.
Экспериментально отмечено появление первых зародышей фигур поверхностного декорирования при Т = 400С, Р = 15 МПа, t = 5 мин. При увеличении температуры до 450С на поверхности монокристалла отмечаются треугольные, четко ограненные ямки. С ростом температуры сварки до Т = 550С растут размеры фигур поверхностного декорирования, происходит их слияние с образованием на поверхности монокристалла кремния обширных областей объемного взаимодействия. Так при Т = 550С площадь, занимаемая фигурами, составляет до 85 % номинальной площади контакта. С ростом температуры происходит потеря четкой кристаллографической огранки фигур и довольно значительная перестройка поверхности кремния. Особенно заметно это при Т = 550С. При охлаждении после сварки, согласно диаграмме растворимости кремния в алюминии, происходит распад L - твердого раствора, который из-за сильного ориентирующего влияния кремниевой подложки, оседает на ней эпитаксиально, частично в виде малых включений [17].
Фигуры поверхностного декорирования имеют, особенно при невысоких температурах сварки (Т 500С), форму равносторонних треугольников, а также фигур, которые могут быть составлены из треугольников и носят плоскодонный характер. Стенки углубления фигур имеют характерный для ориентации (111) наклон относительно дна. Необходимо отметить, что размеры фигур в плоскости сварки значительно превосходят их глубину. Другими словами, скорость растворения кремния со стенок фигур значительно выше скорости растворения кремния со дна.
Характерной особенностью объемного взаимодействия при диффузионной сварке монокристалла кремния с алюминиевой фольгой является различная форма и плотность фигур поверхностного декорирования на одной и той же пластине, как это показано на рис. 3.17. Такие большие различия между фигурами объясняются различной кристаллографической ориентацией зерен и субзерен алюминия, участвующих в объемном взаимодействии, а также разной степенью суммарной накопленной деформации для различных зерен. Интересен факт получения на поверхности монокристалла отпечатков границ зерен алюминиевой фольги, рис. 3.17а. Металлографически они выявляются как линии со значительно более высокой плотностью и мелким размером ямок травления, что свидетельствует о преимущественной диффузии Si в А1 по границам зерен.
Подробное изучение этих вопросов представляет самостоятельный интерес и в рамках настоящей работы они не рассматривались.
На рис. 3.18 показан характер фигур поверхностного декорирования в зависимости от класса шероховатости алюминиевой фольги. Видно, что объемное взаимодействие носит дискретный характер и предпочтительно развивается лишь в местах интенсивной пластической деформации. При низких классах шероховатости (рис. 3.18а) отмечается наличие недекорированных участков в виде полос. Вероятно, грубый микрорельеф не позволяет добиться образования полного физического контакта при его осадке, а деформационные рельефы микро- и субструктурного характера, развивающиеся во время сварки, не перекрывают остающиеся микронесплошности. С ростом класса шероховатости (рис. 3.186) строчечный характер объемного взаимодействия исчезает и отмечается более равномерное распределение фигур поверхностного декорирования на плоскости монокристалла кремния.
В работе [55] теоретически показано, что в месте контакта твердых фаз, образующих эвтектику, принципиально возможно образование эвтектической фазы при температуре ниже обычной эвтектической, которую дает диаграмма состояния. Причиной этого может быть явление контактного плавления, существенное понижение температуры плавления в высокодисперсных системах за счет вклада избыточной поверхностной энергии [116, 117], а также локальное подплавление металла или продуктов реакции при местном повышении температуры в результате действия сил трения при пластической деформации микронеровностей и выноса избыточной энергии, высвобождаемой при выходе на поверхность дислокаций [49]. Пластическая деформация может, в принципе, приводить к сильному диспергированию зерен алюминия за счет инициирования большого количества дислокаций и линий скольжения и приводить, таким образом, к локальному подплавлению в при-контактной области.
В случае образования жидкой фазы, как свидетельствуют данные работ [41, 118, 119], последующая её кристаллизация неизбежно приводит к образованию дислокационной структуры кремния, непосредственно граничащей с эвтектикой. Это происходит в результате возникновения упругих напряжений при затвердевании эвтектики из-за существенной разницы значений КЛТР эвтектики Si-Al и Si.
Тщательное исследование фигур поверхностного декорирования и прилегающих к ним областей кремния методом просвечивающей электронной микроскопии не выявило наличия каких-либо дефектов кристаллической решетки кремния.
